JP4516114B2 - 撮像光学系 - Google Patents
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Description
図1は、この発明の実施の形態1に係る撮像光学系を示す概略図である。図1に示すように、被写体より伝搬した光線は、光学系で最初に第1反射鏡1に入射し、第1反射鏡1で反射された光線が次に第2反射鏡2に入射する。第2反射鏡2で反射された光線は、次に第3反射鏡3に入射し、第3反射鏡3で反射した光線が結像面4で被写体の像を形成する。なお、5は結像面4の中心に結像する光線の主光線を示した中心主光線の光路である。
図4は、この発明の実施の形態2に係る撮像光学系を示す概略図である。図4において、図1に示した実施の形態1の撮像光学系と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。新たな符号として、7は、第1反射鏡1、第2反射鏡2、第3反射鏡3の構造を含んで一体部品となっている、結像部材を示す。
あるいは、反射鏡の一部もしくは全部を別部品として作成し、結像部材7に取り付けてもいい。
図5は、この発明の実施の形態3に係る撮像光学系を示す概略図である。図5において、図1に示した実施の形態1の撮像光学系と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。新たな符号として、8は、第3反射鏡3で結像した像を像面4に再形成するリレーレンズであり、9は、第3反射鏡3で結像する位置に置かれた視野絞りである。
以上の実施の形態において、撮像光学系として使用するためには像のボケを低減するように光学系の構造パラメータを決定する必要がある。光学系のボケを発生する要因は、回折と収差の大きく2つに分けられる。回折は、光線が波としての特性を持つために発生するボケで、使用波長、F値と開口形状によってその影響は決まる。使用波長と光学系のF値による影響はどの光学系に対しても同等に現れる。開口形状に関しては、例えばニュートン型望遠鏡のように開口に中心遮蔽がある場合、その影響がボケの形状に現れる。本実施の形態4に係る撮像光学系は中心遮蔽を持たないため、このようなボケは発生しない。
φ2>180−20d3/f
を満足する必要がある。この範囲を、図7中に矢印で示した。
φ3>235−0.86φ2+3α
を満足することにより、像ボケ指標が0.000005より小さい光学系を得ることが出来る。この範囲を、図8中に矢印で示した。
(φ3−θ’−175)2/702+(φ3+θ’−185)2/302<2
を満足することにより、像ボケ指標が0.000005より小さい光学系を得ることが出来る。この範囲を、図9中に矢印で示した。
0.8<φ3/(130+14d3/f)<1.2
を満足することにより、像ボケ指標が0.000005より小さい光学系を得ることが出来る。この範囲を、図10中に矢印で示した。
本実施の形態5の反射型光学系の構成は図1と同様である。前述の通り、反射面に対して入射光線と反射光線は同じ側に現れるため、次面の反射鏡が入射光線を遮らないためには反射面に対して斜めに光線を入射させる必要がある。反射鏡の法線に対して光線の入射角度が大きいほど反射角度も大きくなり、入射光束と反射光束の重なりも小さくなる。したがって、反射鏡による光線の遮蔽をなくすという点では、光線の入射角度は大きいことが望ましい。
10D/f>5+α
を満足する必要がある。
また、第1反射面1への入射光線が他の反射面に遮蔽されないためには
θ>2α
を満足すればいい。
さらに、第3反射面3からの反射光線が他の反射面に遮蔽されないためには
θ’>α−5
を満足すればいい。
図11は、この発明の実施の形態6に係る反射型光学系を示す光線図である。光学系の焦点距離は25mm、F/2である。これを波長10μmの赤外線カメラ用に使用すると、回折による像ボケの大きさを表すエアリーディスクの直径に対する像ボケ指数は0.000009なので、光線収差の像ボケ指数が0.000005程度以下なら十分に回折限界の性能が得られる。図11に示した光学系のパラメータを表1に示す。
f=25,d3=75.36
θ=50°,θ’=21.69°
φ1=158.45°,φ2=136.85°,φ3=172.34°
α=15°,D=61
である。これらのパラメータを代入すると分かるように、本実施の形態6は、実施の形態4および5で示した収差低減の4条件と光線遮蔽が発生しない3条件を全て満足している。
Claims (16)
- 入射光線の光路順で、第1反射鏡、第2反射鏡、及び第3反射鏡の順に配置された3枚の反射鏡を有し、
前記3枚の反射鏡は、前記入射光線を遮蔽することなく配置され、
前記3枚の反射鏡で反射された光線が結像面を形成する撮像光学系において、
前記第1反射鏡と前記第3反射鏡のどちらか一方に凸面鏡を使用し、もう片方に凹面鏡を使用し、
前記結像面の中心に結像する光線の主光線として規定される中心主光線に対して、前記第1反射面に入射する前記中心主光線上の適当な点と、前記第1反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第2反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第3反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記中心主光線の結像点とが三角両錐の頂点を成し、
前記第1反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第2反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第3反射面上の前記中心主光線の反射点との3点を含む面が前記三角両錐を作る2つの三角錐を貼り合わせた面と一致する
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
前記第1反射鏡に凸面鏡を用い、前記第3反射鏡に凹面鏡を用いた
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
前記3枚の反射鏡を一体部品とした
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項3に記載の撮像光学系において、
前記一体部品とした撮像光学系の内部を光線が伝搬し、
前記一体部品の側面に設けられた反射面を前記反射鏡とした
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
前記3枚の反射鏡の材料を高分子材料とした
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
前記第1反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第2反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第3反射面上の前記中心主光線の反射点との3点を含む基準面に対して、前記第1反射鏡に入射する前記中心主光線と前記基準面が成す角をθ、前記第3反射鏡で反射した前記中心主光線と前記基準面が成す角をθ’とするときに、0.5<θ’/θ<2.0を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
前記3枚の反射鏡が撮像光学系の一部を成すサブモジュールとして組み込まれている
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項7に記載の撮像光学系において、
前記3枚の反射鏡の像面に視野絞りを備え、
前記視野絞りの後段にリレーレンズ型の光学系を備えた
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の撮像光学系において、
前記第2反射面に開口絞りを備えた
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
前記結像面の中心に結蔵する光線の主光線として規定される中心主光線に対して、前記第2反射面に入射する光線と反射した光線の成す角をφ2[度]とし、前記第3反射面と像面との距離をd3、撮像光学系の焦点距離をfとするとき、
φ2>180−20d3/f
を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
前記第1反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第2反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第3反射面上の前記中心主光線の反射点との3点を含む平面を基準面と呼ぶとき、前記中心主光線に対して、前記第3反射面に入射する光線と、反射した光線を前記基準面上に射影した光線の成す角をφ3[度]とし、撮像光学系の半画角をα[度]とするとき、
φ3>230−0.86φ2+3α
を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
前記第3反射鏡で反射した前記中心主光線と前記基準面が成す角をθ’[度]とするとき、
(φ3−θ’−175)2/4900+(φ3+θ’−185)2/900<2
を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
0.8<φ3/(130+14d3/f)<1.2
を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
光学系のF値が2以下であり、前記第1反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第2反射面上の前記中心主光線の反射点と、前記第3反射面上の前記中心主光線の反射点との3点を円周上に持つ円の直径をDとするとき、
D>50+10α
を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
光学系のF値が2以下であり、前記第1反射鏡に入射する前記中心主光線と前記基準面が成す角をθ[度]とするとき、
θ>2α
を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。 - 請求項1に記載の撮像光学系において、
光学系のF値が2以下であり、
θ’>α−5
を満足する
ことを特徴とする撮像光学系。
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